Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Bis heute sind trotz wichtiger Fortschritte in der Diagnostik und Therapie einige Bereiche mit hohem Bedarf noch nicht abgedeckt. Um die kardiovaskuläre medizinische Diagnostik zu personalisieren und bessere Messergebnisse zu erhalten, müssen das Herz, Organe und Tumore auf molekularer Ebene charakterisiert werden können. Das Projekt MetaboliQs kombiniert diamantbasierte Quantensensorik und medizinische Bildgebung, zwei Bereiche von europäischer Exzellenz, um das Verständnis für krankheitsbedingte molekulare Veränderungen im Körper zu verbessern und dadurch die personalisierte Diagnostik von kardiovaskulären Krankheiten voranzutreiben.

Die Magnetresonanztomographie ist seit Jahrzehnten als sichere, nicht-invasive und nicht-radioaktive Methode zur Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen weit verbreitet. Aufgrund ihrer begrenzten Empfindlichkeit können jedoch selbst die teuersten MRT-Scanner (mit den stärksten Magneten) molekulare und Stoffwechsel-Aktivitäten im Herzen nicht mit ausreichender Empfindlichkeit erkennen und visualisieren. Hier spielen aktuelle MRT-Techniken mittels Hyperpolarisation eine zentrale Rolle, da sie es ermöglichen, die Empfindlichkeit der MRT um bis zu fünf Größenordnungen zu erhöhen. Leider dauert der Hyperpolarisierungsprozess sehr lange (90-180 Minuten pro Verfahren), ist extrem kostspielig und umständlich (>2 Millionen Dollar Anschaffungskosten für Anlagen in der Größe eines ganzen Raumes) und erfordert zudem Temperaturen von unter -270 Grad Celsius. Das Projekt MetaboliQs zielt daher darauf ab, durch Fortschritte in der Quantenphysik eine neue Methode für die MRT zu entwickeln.

Präzisere Diagnostik und personalisierte Medizin durch Fortschritte in der Quantenphysik

Das Verfahren, welches auch als »Hyperpolarisierte MRT« bezeichnet wird, ermöglicht die Darstellung und Visualisierung wichtiger Stoffwechselsubstrate im Herzen und anderen Organen (z.B. Niere, Leber) durch Hyperpolarisation von Kernspins körpereigener und ungiftiger Substrate. Auf diese Weise können eine Reihe wichtiger Stoffwechselreaktionen nicht-invasiv verfolgt werden. Diese bahnbrechende Technologie wird eine bisher unerreichte, hochsensitive Quantifizierung der Stoffwechselaktivität ermöglichen und den Weg ebnen für eine präzise Diagnose und eine auf den Patienten zugeschnittene Behandlungen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. So wird es beispielsweise möglich sein, Patienten, die am wahrscheinlichsten von invasiven oder pharmakologischen Behandlungen profitieren von denen zu unterscheiden, für die andere medizinische Behandlungsmethoden zielführender wären. Zudem können Patienten im Frühstadium der Krankheit deutlich besser diagnostiziert werden.

Das Projekt MetaboliQs wird die transformativen Eigenschaften von Diamant-Stickstoff-Vakanzen (nitrogen vacancies, NV), wie die hohe Quantenkohärenz und Quantenkontrolle, nutzen, um einen Durchbruch in der hyperpolarisierten MRT zu ermöglichen: Ein kostengünstiger und durchsatzstarker Diamantpolarisator, der mit jeglichem, kommerziellen MRT-Scanner verwendet werden kann und Ergebnisse innerhalb von Minuten statt Stunden liefert.

Diese einzigartige Nutzung der Quantenkohärenz wird durch eine neue Technologie zum atomaren Wachstum von Diamantmaterial (sogenannter »quantum grade« Diamant) ermöglicht. Darunter fallen beispielsweise 12C-Isotopenreinigung, präzise Kontrolle der Stickstoffdefektkonzentration und Nanofertigung der Diamantoberfläche.

Das MetaboliQs-Konsortium bietet durch seine Kombination aus führenden Forschungsinstituten und innovativen Unternehmen die notwendige umfassende Expertise, um die ehrgeizigen Ziele des Projekts zu erreichen und bahnbrechende Entwicklungen in der hyperpolarisierten MRT im Bereich der Herz-Kreislauf-Erkrankungen Realität werden zu lassen.

MetaboliQs vereint ein erstklassiges multidisziplinäres Konsortium:

- das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg, ein führendes Forschungsinstitut für Quantentechnologie mit Diamant und ein Vorreiter bei der Entwicklung und Herstellung von »quantum grade« Diamant,

- NVision Imaging Technologies GmbH, Deutschland, ein vom Silicon Valley unterstütztes Quantentechnologie-Unternehmen und Erfinder der diamantbasierten Polarisation,

- Element Six Limited, Großbritannien, ein weltweit führender Anbieter von Forschung und Herstellung von synthetischem Diamant mit bekannter Expertise in Quantenanwendungen,

- Die Hebräische Universität Jerusalem (HUJI), Israel, ein führendes Forschungsinstitut für Diamantquantentechnologien,

- Bruker BioSpin GmbH – Marktführer in der präklinischen MRT- und NMR-Spektroskopie

mit zwei der besten technischen Universitäten Europas, ausgestattet mit Forschungsgruppen in der hyperpolarisierten und kardiovaskulären MRT:

- ETH Zürich in der Schweiz sowie

- Technische Universität München, Deutschland.

Das Projekt MetaboliQs ist Teil der von der Europäischen Union geförderten Gesamtinitiative »Quantum Flagship«. Mit dieser Initiative soll Europa an die Spitze der zweiten Quantenrevolution gebracht werden, die sich derzeit weltweit vollzieht. Ziel ist es, disruptive Quantentechnologien in die Wissenschaft und die Gesellschaft im Allgemeinen zu bringen, indem neue kommerzielle Möglichkeiten zur Bewältigung globaler Herausforderungen erschlossen, strategische Fähigkeiten für die Sicherheit aufgebaut werden und noch ungeahnte Anwendungen für die Zukunft entstehen. Das Projekt MetaboliQs startete im Oktober 2018 und läuft bis Ende 2021.